□ 倪海波

郭宇2018年10月在杭州參加全國流體力學(xué)學(xué)術(shù)會議

顆粒和粉體（一般指粒度小于100微米的顆粒）物質(zhì)是工業(yè)生產(chǎn)中除了水之外最常見的物質(zhì)，在化工、制藥、冶金和能源工業(yè)中，必需的生產(chǎn)原料通常都是以顆粒散體的形態(tài)存在。其實顆粒和粉體也廣泛地存在于我們的日常生活中，最常見的就是做飯用的食鹽和面粉等。而一些自然災(zāi)害和環(huán)境污染例如沙塵暴、泥石流、雪崩和粉塵造成的空氣污染等，其罪魁禍?zhǔn)滓彩穷w粒物質(zhì)。如果可以深入理解顆粒材料流動并發(fā)展出可靠的顆粒流動理論模型，就能為工業(yè)中相關(guān)設(shè)備的設(shè)計和優(yōu)化提供理論依據(jù)，從而實現(xiàn)能源的節(jié)約、產(chǎn)品質(zhì)量的改進(jìn)和生產(chǎn)效率的提高，而且也有助于制定有效的措施，來防控自然災(zāi)害和治理空氣污染。

但相比于水和空氣等牛頓流體的流動，人們對顆粒流動的理解還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。其中有一個重要原因就是顆粒系統(tǒng)有著復(fù)雜的力學(xué)行為，換句話說就是，在同一顆粒系統(tǒng)里，類似于固體、液體和氣體的3種不同的力學(xué)行為可能同時存在。與水和空氣的流動不同的是，顆粒流動的應(yīng)力本構(gòu)關(guān)系還受到固體體積分?jǐn)?shù)和當(dāng)前正應(yīng)力的影響。這些復(fù)雜的力學(xué)行為，顯著增加了發(fā)展顆粒流動理論的難度。此外，顆粒材料的自身性質(zhì)如粒度分布和顆粒形狀，以及顆粒間的相互作用如摩擦力和粘性力，也對顆粒的流動行為有著顯著的影響。因此，目前尚不存在一個統(tǒng)一的理論可以描述所有顆粒材料的流動行為。而這一難題也曾在2005年被Science列入最前沿的125個科學(xué)問題中，即“能否發(fā)展關(guān)于湍流動力學(xué)和顆粒材料運動學(xué)的統(tǒng)一理論”。

為了更好地理解顆粒流動的規(guī)律，浙江大學(xué)航空航天學(xué)院工程力學(xué)系研究員郭宇及其所在的團(tuán)隊基于離散單元法（Discrete Element Method或DEM）模擬研究了非球形顆粒和柔性纖維顆粒的應(yīng)力本構(gòu)模型，并在發(fā)展復(fù)雜顆粒系統(tǒng)的連續(xù)介質(zhì)力學(xué)描述上進(jìn)行了有價值的嘗試。

以興趣開啟力學(xué)之門

力學(xué)作為一門獨立的基礎(chǔ)學(xué)科，在物理學(xué)、天文學(xué)和許多工程學(xué)中都有著廣泛的應(yīng)用。這門學(xué)科可以說是來源于人們于對自然現(xiàn)象的觀察和在生產(chǎn)勞動中的經(jīng)驗。在建筑、灌溉等勞動中對杠桿、斜面、汲水器等器具的大量使用，逐漸積累起人們對平衡物體受力情況的認(rèn)識。其中，最廣為人知的力學(xué)實驗?zāi)^于被科學(xué)界譽為“比薩斜塔試驗”的美談佳話。1589年的一天，25歲的比薩大學(xué)青年數(shù)學(xué)講師伽利略在比薩斜塔上將一個重100磅和一個重一磅的鐵球同時拋下。在眾目睽睽之下，兩個鐵球出人意料地差不多是平行地一齊落到地上。這個有趣的實驗不僅揭示了自由落體定律，提出加速度的概念，也幫助伽利略奠定了動力學(xué)的基礎(chǔ)。

這門能夠揭示物質(zhì)機械運動規(guī)律的科學(xué)，曾引起無數(shù)人的好奇心，郭宇也是被其深深吸引的一位。自高中讀書時起，他就對力學(xué)產(chǎn)生了濃厚的興趣，覺得這門科學(xué)的應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛，所以當(dāng)填寫高考志愿時，他選擇了北京航空航天大學(xué)工程力學(xué)系。越是深入研究，他越覺得趣味十足。碩士階段，他又憑借優(yōu)異的成績前往清華大學(xué)航天航空學(xué)院工程力學(xué)系繼續(xù)深造。

幸運總是垂青于有準(zhǔn)備的人。碩士期間，其導(dǎo)師莊茁收到了一封信，信中希望他能夠推薦一名學(xué)生去英國讀博士。一直以來刻苦鉆研的郭宇就成了這名幸運兒。接下來的幾年中，他一直在英國伯明翰大學(xué)化學(xué)工程系學(xué)習(xí)并取得了博士學(xué)位。此后他又前往美國成為相關(guān)領(lǐng)域的研發(fā)工程師和研究學(xué)者，也正是這段海外求學(xué)和工作的經(jīng)歷，開闊了郭宇的視野，使他有機會了解國外的學(xué)術(shù)環(huán)境和氛圍。

實踐助力理論完善

海外學(xué)子們面臨的第一個難關(guān)通常是語言關(guān)，他們不能清楚地表達(dá)自己的意愿，也聽不大懂同行說的專業(yè)術(shù)語。初到海外的郭宇也不例外，但他總是努力地尋找機會來快速提高自己的英語水平。這種面對困難樂觀拼搏的精神也使他在國外的求學(xué)和工作中做出了不俗的成績。

博士期間，他的課題是關(guān)于制藥方面的研究，即研究在制作藥片或者膠囊的時候，藥物顆粒的流動和填充過程?？此破匠５念w粒流動，在制藥過程中卻發(fā)揮著非常重要的作用，它直接決定藥物的填充效率乃至影響藥片或膠囊的藥效。這是因為顆粒在流動過程中，會因顆粒大小的不同而產(chǎn)生偏析，從而導(dǎo)致每個藥片或膠囊的成分不均，最終影響藥效。如果填充不均勻的話，也會使最終壓制成的藥片更易碎。如何避免這些問題，正是顆粒物質(zhì)力學(xué)研究的目的。除了顆粒自身性質(zhì)的影響，在其流動的過程中，還不可避免地要受到空氣的影響，這同樣也會影響填充效率，并且會影響顆粒的分離程度。因此研究空氣會產(chǎn)生怎樣的影響，如何避免這種影響，也是顆粒物質(zhì)力學(xué)需要解決的問題。

正是在這一課題的研究中，郭宇發(fā)展了耦合離散單元（DEM）和計算流體動力學(xué)（CFD）方法，研究了制藥和粉末冶金工業(yè)中顆粒材料的磨具填充過程，并通過數(shù)值模擬，首次系統(tǒng)分析了空氣存在和顆粒性質(zhì)對材料填充過程的耦合影響，包括顆粒材料的堆積、流動、混合和離析。該項研究加深了對這一過程物理機制的認(rèn)識，為工業(yè)中優(yōu)化設(shè)計磨具填充系統(tǒng)提供了理論依據(jù)。該項目也曾獲得英國工程和物理科學(xué)研究基金委員會的資助。

理論研究的價值通常需要通過實際具體應(yīng)用才能得到體現(xiàn)。郭宇在研究中實現(xiàn)了浸入邊界法（Immersed Boundary Method）、離散元法和計算流體動力學(xué)的耦合，從而實現(xiàn)對動邊界和不規(guī)則形狀邊界等復(fù)雜邊界條件下顆粒和氣體兩相流動的數(shù)值模擬。這種算法簡單，效率高的耦合數(shù)值算法也容易在實際中得到實現(xiàn)。應(yīng)用該算法，郭宇他們模擬研究了若干典型工業(yè)氣固兩相流問題，如流化床、氣體輸送和氣流引起的顆粒床離析。作為努力之后的回報，郭宇獲得了2009年度國家優(yōu)秀自費留學(xué)博士生獎學(xué)金的資助。

博士畢業(yè)后，在2011年時郭宇又前往美國佛羅里達(dá)大學(xué)，繼續(xù)深入對離散單元方法的研究。期間還在美國顆粒技術(shù)咨詢公司擔(dān)任研發(fā)工程師，這也使得他的理論知識能夠更加接近實際應(yīng)用。

力學(xué)的研究方法一般都是遵循認(rèn)識論的基本法則：實踐—理論—實踐。力學(xué)家們常根據(jù)對自然現(xiàn)象的觀察，特別是定量觀測的結(jié)果，根據(jù)生產(chǎn)過程中積累的經(jīng)驗和數(shù)據(jù)，或者根據(jù)為特定目的而設(shè)計的科學(xué)實驗的結(jié)果，提煉出量與量之間定性的或數(shù)量的關(guān)系。這就需要建立模型。但理論和實踐總是存在差異，而這種差異會直接影響結(jié)論的準(zhǔn)確性和適用性，這就要求研究者們不斷地調(diào)整模型，利用更科學(xué)的實驗方法加以驗證。在傳統(tǒng)的顆粒材料連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論和數(shù)值模擬方法中，固體顆粒的形狀被簡化成球形。然而，在實際情況中，絕大部分顆粒的形狀都是非球形的。大量實驗結(jié)果表明，顆粒形狀對顆粒系統(tǒng)的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀物理、力學(xué)性質(zhì)具有重大影響。因此，郭宇等人發(fā)展了非球形顆粒的離散元數(shù)值模擬方法以模擬細(xì)長顆粒和片狀顆粒系統(tǒng)，研究其剪切流動行為，發(fā)展非球形顆粒系統(tǒng)的應(yīng)力本構(gòu)關(guān)系，創(chuàng)建不規(guī)則形狀顆粒系統(tǒng)的力學(xué)模型。然后，他們將得到的力學(xué)本構(gòu)模型嵌入顆粒系統(tǒng)流動的連續(xù)介質(zhì)理論框架中，采用計算流體動力學(xué)（CFD）方法模擬較大尺度的復(fù)雜顆粒系統(tǒng)的流動問題。這種數(shù)值模擬方法及多尺度研究方案，被應(yīng)用于研究航天器在外星球（例如火星和月球）表面著陸時的造坑和揚砂過程。其所取得的研究成果有助于設(shè)計航天飛行器著陸系統(tǒng)，減少高速飛行的砂石對設(shè)備的損害。而這項研究也獲得了美國國家航空航天局（N A S A）和美國國家自然科學(xué)基金（NSF）的資助。

是歸途更是新征程

在國外學(xué)習(xí)工作的10年中，郭宇能夠從事相對基礎(chǔ)的理論研究，并有機會將研究出的相關(guān)理論應(yīng)用于大型制藥公司、化工公司等，實現(xiàn)了理論與實際的緊密結(jié)合，也切實解決了實際生產(chǎn)中存在的一些顆粒技術(shù)方面的難題。部分研究成果已發(fā)表在流體力學(xué)、化學(xué)工程、軟物質(zhì)等領(lǐng)域的著名國際期刊上?；谄浣鼛啄暝趶?fù)雜顆粒流方面做出的成果，郭宇還曾受邀在Annual Review of Fluid Mechanics上發(fā)表綜述文章。這些經(jīng)歷也使他更加明白了顆粒物質(zhì)力學(xué)的重要性和其廣闊的應(yīng)用前景。同時，中國快速發(fā)展的科研以及在祖國工作和生活的歸屬感，也一直強烈地吸引著他。終于在浙江大學(xué)工程力學(xué)系向他拋出橄欖枝時，郭宇毅然選擇回國，決定全心投身于中國顆粒物質(zhì)力學(xué)的研究，開啟一段新征程。

2018年7月在廈門參加第四屆全國顆粒物質(zhì)計算力學(xué)大會

浙江大學(xué)（以下簡稱“浙大”）擁有綜合性的力學(xué)研究平臺，是國家工科基礎(chǔ)課程力學(xué)教學(xué)基地及國家力學(xué)實驗教學(xué)示范中心的重要建設(shè)單位，其固體力學(xué)和流體力學(xué)分別為國家和浙江省重點學(xué)科，而且具有雄厚的師資力量。這都使郭宇能夠與系里其他老師通力合作，有機會將科研、教學(xué)推向新的高度。目前，郭宇和他的團(tuán)隊正在開展凸多面體顆粒流動的本構(gòu)模型研究的面上項目。這一研究成果將有助于揭示顆粒表面棱角對顆粒流動微觀結(jié)構(gòu)和宏觀行為的影響規(guī)律，建立有棱角顆粒的流動本構(gòu)模型，發(fā)展顆碰撞能量耗散率模型，進(jìn)而完成顆粒連續(xù)介質(zhì)方程組的閉合，實現(xiàn)相關(guān)復(fù)雜顆粒流的連續(xù)介質(zhì)模擬，從而為涉及顆粒流的工程生產(chǎn)實踐提供更加準(zhǔn)確、高效的分析工具，實現(xiàn)工業(yè)過程的優(yōu)化設(shè)計。回國后，郭宇獲得了國家自然科學(xué)基金面上項目（主持）、重點項目（參與）和浙江省杰出青年項目的資助。

來到浙大，郭宇不僅是一名研究員更是一名教師。而目前浙大力學(xué)系的課程主要集中在固體力學(xué)和流體力學(xué)，對于自然界中水之外最常見的顆粒系統(tǒng)的力學(xué)行為鮮有介紹。多年研究顆粒物質(zhì)力學(xué)的他衷心希望在未來可以創(chuàng)建復(fù)雜顆粒系統(tǒng)的理論和數(shù)值模擬的課程，從而使學(xué)生對這種自然界最常見的物質(zhì)系統(tǒng)之一的力學(xué)行為有進(jìn)一步的了解。

現(xiàn)如今，數(shù)值模擬已經(jīng)成為世界科學(xué)和工程的分析、預(yù)測和設(shè)計不可或缺的重要手段。而在其研究的過程中需要研究學(xué)者們投入大量的精力和保持長期研究的毅力。作為博士研究生導(dǎo)師的郭宇給學(xué)生們的首要建議就是要勤奮，“不勤奮很難做出東西”，有著多年從業(yè)經(jīng)歷的郭宇這樣說。其次，要避免急躁，不能為了出成果而去造假。在談到如何緩解科研壓力時，這位年輕的博士生導(dǎo)師隨和地說：“我也正在找一個平衡，找到自己舒服的狀態(tài)，努力工作，自然出成果。順其自然，科研也是天分加運氣，做出努力就無怨無悔，真的沒有滿意成果也能夠坦然接受?！?/p>

“既然選擇了遠(yuǎn)方，便只顧風(fēng)雨兼程”?？蒲兄?，從來不是一帆風(fēng)順的。樂觀隨和的郭宇還將繼續(xù)探索顆粒物質(zhì)力學(xué)的奧秘，同時他也希望跟同行老師們一起培養(yǎng)一批理論基礎(chǔ)扎實、工程經(jīng)驗豐富的優(yōu)秀人才，一同攀登科研高峰。